鐵酸鉍粉體的合成及表征.pdf

1、BiFeO<,3>具有三方扭曲的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，室溫下同時(shí)具有兩種結(jié)構(gòu)有序，即鐵電有序(T<,C>～810℃)和G型反鐵磁有序(T<,N>～380℃)，是少數(shù)室溫下同時(shí)具有鐵電性和磁性的單相鐵電磁材料之一。目前，合成BiFeO<,3>粉體的方法主要有高溫固相燒結(jié)法、溶膠-凝膠法和共沉淀法。上述方法往往很難得到純相的BiFeO<,3>，特別是高溫固相法在燒結(jié)之后需要借助硝酸去除Bi<,2>Fe<,4>O<,9>和Bi<,25>FeO<,40>

2、)等雜相，使粉體表面粗糙，實(shí)驗(yàn)的重復(fù)性也不好，所以迄今為止合成純相的BiFeO<,3>仍然是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的課題。 本課題分別采用水熱法、共沉淀法和溶膠．凝膠法制備了BiFeO<,3>粉體。水熱合成可以在較低的溫度下進(jìn)行，所得粉體有良好的結(jié)晶和分散等性質(zhì)，在合適的條件下能得到純相的BiFeO<,3>。然而目前鮮見水熱合成BiFeO<,3>粉體的研究報(bào)道，且水熱條件有待進(jìn)一步優(yōu)化。分別以FeCl<,3>·6H<,2>O和Fe(NO

3、<,3>)<,3>·9H<,2>O為鐵源，Bi(NO<,3>)<,3>·5H<,2>O為鉍源，氨水為沉淀劑，KOH為礦化劑，采用共沉淀法制備前驅(qū)物，水熱合成出純相的BiFeO<,3>粉體。借助X射線衍射、掃描電鏡、透射電鏡、能量色散譜儀、差熱分析儀和傅立葉變換紅外光譜分析對(duì)所制備的粉體的晶相結(jié)構(gòu)、顯微形貌、化學(xué)成分、相變和鍵性進(jìn)行了表征，并測(cè)試了粉體的磁性能。討論了鐵源、水熱處理溫度、水熱處理時(shí)間、礦化劑濃度、前驅(qū)物濃度、前驅(qū)物陳化時(shí)間

4、對(duì)粉體晶相結(jié)構(gòu)和顯微形貌的影響。并對(duì)水熱合成BiFeO<,3>粉體的機(jī)理進(jìn)行了初步探討。 結(jié)果表明：以FeCl<,3>·6H<,2>O為鐵源時(shí)，水熱制備純相BiFeO<,3>粉體的最佳溫度范圍是150～200℃，產(chǎn)物的顯微形貌為薄片狀；而以Fe(NO<,3>)<,3>·9H<,2>O為鐵源時(shí)，合成純相BiFeO<,3>的最佳溫度為180℃，且產(chǎn)物的顯微形貌呈不規(guī)則狀；鐵源、水熱處理溫度、前驅(qū)物濃度和前驅(qū)物陳化時(shí)間對(duì)所制備BiFe

5、O<,3>粉體的顯微形貌影響很大；所制備BiFeO<,3>粉體的尼爾溫度(T<,N>)為301℃，居里溫度(T<,C>)為828℃，分解溫度為964℃；所制備BiFeO<,3>粉體存在Fe-O鍵的彎曲振動(dòng)和伸縮振動(dòng)，表明FeO<,6>八面體的存在和的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)；采用共沉淀-水熱工藝，在150℃，堿濃度僅為0.0.15mol/L的水熱條件下即可合成純相的BiFeO<,3>粉體，大大降低了水熱溫度，減小了堿濃度，從而節(jié)約了能源和成本，減弱了

6、堿對(duì)水熱設(shè)備的腐蝕。 對(duì)于水熱合成鐵酸鉍粉體，其晶粒的形成機(jī)理主要取決于BiO<,2>·nH<,2>O和Fe<,2>O<,3>·nH<,2>O膠體在KOH堿性溶液中的溶解度。當(dāng)水熱反應(yīng)溫度較高時(shí)，前驅(qū)物的溶解度較大，此時(shí)則以溶解一結(jié)晶模型的機(jī)理為主；當(dāng)水熱反應(yīng)溫度較低時(shí)，前驅(qū)物的溶解度較小，溶解一結(jié)晶的動(dòng)力學(xué)速度過(guò)慢，則前驅(qū)物可以經(jīng)過(guò)脫去羥基(或脫水)，原子原位重排而轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)晶態(tài)，此時(shí)BiFeO<,3>顆粒的形成主要以原位轉(zhuǎn)變模

7、型為主。 水熱條件下合成的BiFeO<,3>粉體的零場(chǎng)磁化率x<,AC>隨溫度的降低而單調(diào)下降，顯示出反鐵磁結(jié)構(gòu)特性；其磁滯回線隨著溫度的升高，自發(fā)磁化強(qiáng)度明顯降低，磁滯回線變窄，剩余磁化強(qiáng)度和矯頑力減小約一個(gè)數(shù)量級(jí)，進(jìn)一步顯示出鐵磁性隨溫度變化的特點(diǎn)。 采用共沉淀法，煅燒溫度為750℃時(shí)，可得到純相的BiFeO<,3>，粉體呈不規(guī)則形狀，顆粒尺寸分布范圍較寬，在1μm和5μm之間。這是因?yàn)楣渤恋矸磻?yīng)過(guò)程為表面沉淀所控制